DE69816829T2

DE69816829T2 - METHOD FOR DETECTING LEAKS IN PIPELINES

Info

Publication number: DE69816829T2
Application number: DE69816829T
Authority: DE
Inventors: Paul Lander; William E. Saltzstein
Original assignee: Lander Paul Lincoln; Saltzstein William Woodinville
Current assignee: Itron Inc
Priority date: 1997-05-06
Filing date: 1998-05-05
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2018-05-06
Also published as: AU7283198A; EP1007931A1; EP1007931B1; WO1998050771A1; DE69816829D1; US5974862A; EP1007931A4

Description

Hintergrund – ErfindungsgebietBackground - field of invention

Die Erfindung betrifft Verfahren zur akustischen Leckdetektion, insbesondere die Verbesserung und Leistungssteigerung solcher Leckdetektoren, die ein Leck lokalisieren, indem die Zeitverzögerung zwischen der Ankunft eines Vibrationssignals von einem Leck an zwei oder mehr Punkten eines Rohres oder einer Pipeline geschätzt wird.The invention relates to methods for acoustic leak detection, especially improvement and performance improvement leak detectors that locate a leak by the time delay between the Arrival of a vibration signal from a leak to two or more Points of a pipe or a pipeline is estimated.

Hintergrund – Beschreibung des Stands der TechnikBackground description state of the art

Es ist bekannt, daß ein akustisches Signal erzeugt wird, wenn eine Leckage bzw. ein Leck in einem unter Druck stehenden Rohr bzw. einer Pipeline vorhanden ist. Die dem Leck zugeordneten Geräusche oder Vibrationen werden in beide Richtungen weg von dem Leck mit einer konstanten Geschwindigkeit ausgebreitet. Die Ausbreitung erfolgt innerhalb des in der Pipeline fließenden Mediums und entlang der Pipeline selbst. Zwei Sensoren, die an dem Rohr an gegenüberliegenden Seiten des Lecks angebracht sind, werden das Lecksignal zu unterschiedlichen Zeiten erfassen, nämlich proportional zu ihren Abständen von dem Leck. Bekannte Leckdetektoren haben jeweils einen mit einer elektronischen Einheit verbundenen Sensor, der die empfangenen Signale in analoger Form filtert, verstärkt und an eine Basisstation überträgt. An der Basisstation werden die Signale von zwei Sensoren empfangen und einer Bandpaßfilterung in analoger Form unterzogen. Die Signale werden dann digital abgetastet. Die beiden abgetasteten Signale werden dann einer Kreuzkorrelation unterzogen. Wenn eine Leckage oder ein Leck vorhanden sind, tritt eine Spitze in der Kreuzkorrelationsfunktion zu einem Zeitpunkt (time lag) T auf. Das US-Patent 4 083 229, für Anway, offenbart ein Verfahren zum Finden der Position eines Lecks unter verwendung von Kreuzkorrelation, die von einer speziell ausgestalteten elektronischen Hardware durchgeführt wird. In diesem System kann der Ort des Lecks aus der zeitlichen Verzögerung (lag) T, der Kenntnis eines Abstands zwischen den Sensoren und der Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in dem Rohr bestimmt werden. Dieses System wurde in dem US-Patent 5 205 173, von Allan weiter verfeinert, zeigt aber ähnliche Leistung.It is known that an acoustic Signal is generated when there is a leak or a leak in an under Pressure pipe or a pipeline is available. The one Leak associated sounds or vibrations are carried in both directions away from the leak spread out at a constant speed. The spread takes place within and along the medium flowing in the pipeline the pipeline itself. Two sensors on opposite sides of the pipe Sides of the leak are attached, the leak signal will be different Record times, namely proportional to their distances from the leak. Known leak detectors each have one with one electronic unit connected sensor of the received signals filters in analog form, amplified and transmits to a base station. At the Base signals are received by two sensors and a bandpass filtering subjected in analog form. The signals are then digitally sampled. The two sampled signals are then cross-correlated. If there is a leak or leak, a spike occurs in the cross-correlation function at a time (time lag) T. U.S. Patent 4,083,229 to Anway, discloses a method of finding the location of a leak using cross correlation generated by a specially designed electronic Hardware performed becomes. In this system, the location of the leak can be out of time delay (lag) T, knowing a distance between the sensors and the Knowledge of the speed of sound in the pipe can be determined. This system was further refined in Allan U.S. Patent 5,205,173, but shows similar ones Power.

Andere Techniken wurden zur Detektion von Leckagen in Pipelines verwendet, einschließlich Ultraschalltestung en der Rohrverbindungsdichtungen – beispielsweise das von Farstad (1993) offenbarte Verfahren in dem US-Patent 5 361 636 Gasemissionsdetektoren, Flüssigemissionsdetektoren – beispielsweise das von Mawardi in dem US-Patnet 4 779 458 offenbarte Verfahren – und auch regelmäßige Hubschrauberkontrollen längerer Pipelines. Keines dieser Verfahren liefert den Vorteil einer kosteneffizienten automatischen Fernleckdetektion, wie er potentiell durch akustische Leckdetektionsverfahren geboten wird.Other techniques have been used for detection of leaks used in pipelines, including ultrasonic testing the pipe joint seals - for example the method disclosed by Farstad (1993) in U.S. Patent 5,361 636 gas emission detectors, liquid emission detectors - for example the method disclosed by Mawardi in U.S. Patent 4,779,458 - and also regular helicopter checks longer Pipelines. Neither of these methods provides the advantage of being cost effective automatic remote leak detection, as potentially caused by acoustic Leak detection method is offered.

Verschiedene Verbesserungen wurden zur Leistungssteigerung der Sensitivität kleiner Lecksignale vorgeschlagen. Das US-Patent 5 416 724 für Savic (1992) offenbart ein Verfahren zur Detektion von Leckagen aus computerberechneter Linearvorhersage-Codierkoeffizienten. Dieser Ansatz benötigt mehrere Sensoren, wird auf eine bestimmte Pipeline abgestimmt (tuned) und legt den Ort der Leckage nicht fest. Das US-Patent 5 272 646 von Farmer (1993) und das US-Patent 4 609 994 von Bassim (1986) offenbaren Verfahren für eine langzeit-periodische Lecktestung. Beide Verfahren sind auf bestimmte Pipelines abgestimmt und umfassen eine nicht-tragbare Vorrichtung. Tragbare Leckdetektoren, beruhend auf Kreuzkorrelation von Leckgeräuschen, die an zwei Orten gemessen werden, wie sie bisher bekannt waren, leiden unter einer Vielzahl von Nachteilen:

(a) Die Kreuzkorrelationsleistung ist ungeeignet, wenn es ein geringes Signal-Rauschverhältnis beim Sensor gibt. Dies tritt auf, wenn die Umgebung verrauscht ist, was die Leckdetektion in vielen Umgebungen verhindert. Das empfangene Lecksignal wird klein sein, wenn das Leck akustisch ruhig ist, was auftritt, wenn die Rate des Fluidverlustes an dem Leck gering ist, der Druck in der Röhre gering ist oder der Lecksensor in einem großen Abstand ist. Kunststoffrohre dämpfen die Ausbreitung des Lecksignals, wobei die Dämpfung seiner Stärke schon über kurze Entfernung auftritt. Dies begrenzt die maximale Lecksensordistanz, ab der bekannte Kreuzkorrelatoren nicht mehr akzeptierbar waren. Heutige Korrelatoren zeigen große Schwierigkeiten beim zuverlässigen Lokalisieren von Leckagen unter Bedingungen eines niedrigen Signal-Rauschverhältnis. Leckagen können verfehlt werden, falsch lokalisiert sein oder es können falsche positive Leckdetektionen auftreten.
(b) Rauschamplituden oder andere Charakteristika ändern sich oft mit der Zeit während der Kreuzkorrelationsmessung. Solche Änderungen können leicht das Ergebnis der Kreuzkorrelationsprozedur ungültig machen. Bei schlechten Signal-Rauschverhältnissen benötigt die Korrelation eine längere Meßzeit, während der die Flußbedingungen in der Röhre konstant sein müssen. Bei industriellen Einrichtungen, wie etwa bei der Treibstoffversorgung an Flughafen sowie in Gasund Wasserpipelines werden sich ändernde Anforderungen die Flußrate und den Druck in der Pipeline ändern, wodurch die Charakteristika des Lecksignals geändert werden, und wodurch die Korrelationsmessung unwiederbringbar gestört wird.
(c) Der Leckanteil des empfangenen Signals ist typischerweise sehr klein im Vergleich zu dem Rauschanteil. Der dynamische Bereich des empfangenen Signals (das Verhältnis des größten Meßwertes zu dem kleinsten) ist üblicherweise sehr hoch. Gegenwärtig in Verwendung befindliche Leckdetektoren verwenden automatische Verstärkungsfaktorsteuerung, die unabhängig bei jedem Sensor arbeitet. Der variable elektronische Verstärkungsfaktor wird benötigt, um den dynamischen bereich des empfangenen Signals zu maximieren. Jedoch, wenn der elektronische Verstärkungsfaktor unterschiedlich an zwei Sensoren geändert wird, wird der Kreuzkorrelationsprozeß gestört und es kann kein Leck detektiert werden.
(d) Die analoge Radioübertragung der empfangenen Signale von der Sensoreinheit zur Basisstation führt Rauschen ein, insbesondere über größere Bereiche, und beschränkt den dynamischen Bereich des empfangenen Signals. Wenn das Verhältnis des Rauschens zu dem Lecksignal oberhalb des dynamischen Bereichs der Radioübertragung liegt, wird das Lecksignal verloren. Übertragungsrauschen stört auch das Lecksignal und kann dazu führen, daß die Kreuzkorrelation bei der Detektion eines Lecks fehl geht. Zusätzlich muss jeder Sensor einen analogen Radiotransmitter haben, der auf eine eigene Frequenz eingestellt ist. Dies verringert die Bandbreite, die zum Übertragen des am Sensor erhaltenen Signals zur Verfügung steht, wodurch der Bereich, die Bandbreite und die Auflösung des empfangenen Signals begrenzt wird. Diese Faktoren beeinflussen des weiteren das Signal-Rauschverhältnis und können zu einem Fehler bei der Detektion eines vorhandenen Lecks führen.
(f) Mechanische Beschleunigungsmesser, die ein piezoelektrisches Sensorelement verwenden, werden üblicherweise im Zusammenhang mit Metallrohren verwendet. Diese Beschleunigungsmesser sind in der Lage, kleine Leckgeräusche zu erfassen, aber sie sind typischerweise mehrere Zoll groß, haben ein Gewicht von einem halben Pfund, sind teuer und sehr zerbrechlich. Sie können nur an geeignet großen Zugangspunkten eines Rohrs bzw. einer Pipeline verwendet werden. Dies kann in ernster Weise die Nähe der Sensoranordnung bezüglich eines vermuteten Lecks einschränken, was zu einem ungeeigneten Signal-Rauschverhältnis und darauf folgendem Fehlschlag bei der Detektion des Lecks führt.
(g) Analoge Filter werden verwendet, um die Bandbreite des empfangenen Signals vor der Kreuzkorrelationsanalyse zu begrenzen. Analoge Filter haben, eine begrenzte Anzahl physikalischer oder elektronisch schaltbarer Einstellungen. Dies begrenzt die Genauigkeit, mit der das Filtern durchgeführt werden kann, um so Lecksignale gegenüber Rauschen zu verstärken. Zusätzlich führen unvermeidbare kleine Unterschiede der analogen Filtercharakteristika systematische Unterschiede zwischen den empfangenen Signalen von zwei Sensoren ein. Die Unterschiede können die Kreuzkorrelation des Lecksignals verschleiern.
(h) Der Abstand zwischen Sensoren wird von Hand gemessen, typischerweise durch Ablaufen mit einem Meßrad. Der tatsächliche Verlauf einer vergrabenen Pipeline mit Windungen und Änderungen in der Tiefe kann von dem Abstand abweichen, der auf ebener Erde abgeschritten wird. Eine ungenaue Kenntnis der Pipelinelänge zwischen den Sensoren fügt einen Fehler in die Messung des Ortes jedes detektierten Lecks ein.
(i) Bei der anlogen Verarbeitung und der variablen Verstärkungsfaktorsteuerung wird die tatsächlich physikalische Größe des empfangenen Lecksignals in Einheiten der Erdbeschleunigungskraft durch Übertragung und Verarbeitung verloren. Es ist daher nicht möglich, die Größe des Lecks oder seine Signalstärke aus der Kreuzkorrelationsfunktion abzuschätzen.

Various improvements have been proposed to increase the sensitivity of small leak signals. U.S. Patent No. 5,416,724 to Savic (1992) discloses a method for detecting leaks from computer-calculated linear prediction coding coefficients. This approach requires several sensors, is tuned to a specific pipeline and does not determine the location of the leak. U.S. Patent 5,272,646 to Farmer (1993) and U.S. Patent 4,609,994 to Bassim (1986) disclose methods for long-term periodic leak testing. Both methods are tailored to specific pipelines and include a non-portable device. Portable leak detectors based on cross-correlation of leak noises measured in two locations, as were previously known, suffer from a number of disadvantages:

(a) The cross-correlation performance is unsuitable if there is a low signal-to-noise ratio at the sensor. This occurs when the environment is noisy, which prevents leak detection in many environments. The received leak signal will be small when the leak is acoustically quiet, which occurs when the rate of fluid loss from the leak is low, the pressure in the tube is low, or the leak sensor is a long distance away. Plastic pipes dampen the spread of the leak signal, whereby the damping of its strength occurs over a short distance. This limits the maximum leak sensor distance above which known cross-correlators were no longer acceptable. Today's correlators present great difficulties in reliably locating leaks under conditions of low signal-to-noise ratio. Leakages can be missed, located incorrectly, or false positive leak detections can occur.
(b) Noise amplitudes or other characteristics often change with time during the cross-correlation measurement. Such changes can easily invalidate the result of the cross-correlation procedure. In the case of poor signal-to-noise ratios, the correlation requires a longer measuring time during which the flow conditions in the tube have to be constant. In industrial facilities, such as airport fueling and gas and water pipelines, changing requirements will change the flow rate and pressure in the pipeline, thereby changing the characteristics of the leak signal and irreversibly disrupting the correlation measurement.
(c) The leakage component of the received signal is typically very small compared to the noise component. The dynamic range of the received signal (the ratio of the largest measured value to the smallest) is usually very high. Leakage detectors currently in use use automatic gain control which operates independently on each sensor. The variable electronic gain factor is needed to maximize the dynamic range of the received signal. However, if the electronic gain is changed differently on two sensors, the cross-correlation process is disturbed and no leak can be detected.
(d) The analog radio transmission of the received signals from the sensor unit to the base station introduces noise, in particular over larger ranges, and limits the dynamic range of the received signal. If the ratio of the noise to the leak signal is above the dynamic range of the radio transmission, the leak signal is lost. Transmission noise also interferes with the leak signal and can cause the cross-correlation to fail when a leak is detected. In addition, each sensor must have an analog radio transmitter that is set to its own frequency. This reduces the bandwidth available to transmit the signal received at the sensor, thereby limiting the range, bandwidth and resolution of the received signal. These factors also affect the signal-to-noise ratio and can lead to an error in the detection of an existing leak.
(f) Mechanical accelerometers using a piezoelectric sensor element are commonly used in connection with metal pipes. These accelerometers are able to detect small leak sounds, but are typically several inches tall, weigh half a pound, are expensive, and are very fragile. They can only be used at suitably large access points of a pipe or a pipeline. This can severely limit the proximity of the sensor assembly to a suspected leak, resulting in an unsuitable signal-to-noise ratio and subsequent failure to detect the leak.
(g) Analog filters are used to limit the bandwidth of the received signal before cross correlation analysis. Analog filters have a limited number of physical or electronically switchable settings. This limits the accuracy with which the filtering can be performed so as to amplify leak signals against noise. In addition, unavoidable small differences in the analog filter characteristics introduce systematic differences between the received signals from two sensors. The differences can obscure the cross-correlation of the leak signal.
(h) The distance between sensors is measured by hand, typically by running with a measuring wheel. The actual course of a buried pipeline with windings and changes in depth may differ from the distance that is walked on flat earth. Inaccurate knowledge of the pipeline length between the sensors inserts an error into the measurement of the location of each leak detected.
(i) In analog processing and variable gain control, the actual physical size of the received leak signal in units of gravitational force is lost through transmission and processing. It is therefore not possible to estimate the size of the leak or its signal strength from the cross-correlation function.

US 4 609 994 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung akustischer Emissionen von großen Strukturen, wie etwa Pipelines, um darin enthaltene mechanische Belastung (stress) zu detektieren. Eine Anzahl von Detektoren/Analyseneinheiten werden an bestimmten Orten an der zu untersuchenden Struktur angebracht, von denen jede in der Lage ist, eine empfangene akustische Emission zu analysieren und sie mit einem Grundwert zu vergleichen, um jede Änderung der erwarteten Werte zu bestimmen. Wenn eine Abweichung von einem erwarteten Wert festgestellt wird, werden Warnsignale an die zentrale Steuereinheit übertragen. Die zentrale Steuereinheit kann auch die Fähigkeit haben, weitere Antworten der jeweiligen Analyseneinheiten zu korrelieren, um den Ort einer Unstetigkeit abzuschätzen, die zwischen benachbarten Detektoren/Analyseeinheiten vorliegt. US 4,609,994 describes a device for monitoring acoustic emissions from large structures, such as pipelines, in order to detect mechanical stress (stress) contained therein. A number of detectors / analyzer units are attached to the structure under investigation at specific locations, each of which is capable of analyzing a received acoustic emission and comparing it to a baseline value to determine any change in expected values. If a deviation from an expected value is determined, warning signals are transmitted to the central control unit. The central control unit can also have the ability to correlate further responses from the respective analysis units in order to estimate the location of a discontinuity that is present between adjacent detectors / analysis units.

US 5 544 074 beschreibt ein Verfahren zur Detektion der Position eines Lecks in einem vergrabenen unterirdischen Rohr. US 5,544,074 describes a method for detecting the position of a leak in a buried underground pipe.

US 5 010 553 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines schnellen fehlerfreien Datenübertragungssystems in einem verrauschten Medium. US 5 010 553 describes a method for operating a fast, error-free data transmission system in a noisy medium.

H. Schwarze: "Computer supported measuring System for automatic control of pipe networks and leak detection"; Technisches Messen 55 (1988) Nr. 7–8 beschreibt ein Korrelationsverfahren zum Finden einer Leckposition aus der Laufzeit des Leckrauschens.H. Schwarze: "Computer supported measuring system for automatic control of pipe networks and leak detection "; technical measurement 55 (1988) Nos. 7-8 describes a correlation method for finding a leak position from the duration of the leak noise.

ZusammenfassungSummary

Die Erfindung liefert ein Verfahren zum Bestimmen eines Lecks in einem Rohr oder einer Pipeline entsprechend Anspruch 1.The invention provides a method for determining a leak in a pipe or pipeline speaking claim 1.

Die Erfindung hat als Merkmale die Detektion und das Festlegen (pinpointing) des Ortes von Lecks in einem Rohr oder Pipeline. Die Größe von jedem vorhandenen Leck wird ebenfalls gemessen. Zu diesem Zweck enthält die Erfindung das Empfangen von Signalen von miniaturisierten Sensoren, die an der Pipeline angeordnet sind, die Anwesenheit sehr kleiner Lecksignale, die durch wesentlich größeres, sich möglicherweise änderndes Rauschen maskiert sind. Der Leckdetektionsprozeß ist computerisiert und fast alle analoge Verarbeitung ist eliminiert. Ein digitaler Signalweg wird von dem Sensor zu der Anzeige des Kreuzkorrelationsergebnisses bereitgestellt. Der digitale Signalweg erhält sehr kleine Lecksignale, minimiert das Rauschen und hält Information bezüglich der empfangenen Signalstärke bereit, wodurch es ermöglicht wird, die Leckgröße abzuschätzen.The invention has the features Detection and pinpointing of the location of leaks in one Pipe or pipeline. The size of everyone Existing leak is also measured. To this end, the invention includes receiving signals from miniaturized sensors that are on the pipeline, the presence of very small leak signals, which by much larger, itself maybe changing Noise is masked. The leak detection process is computerized and almost all analog processing is eliminated. A digital signal path becomes from the sensor to the display of the cross-correlation result provided. The digital signal path receives very small leak signals, minimizes noise and lasts Information regarding the received signal strength ready, which makes it possible will estimate the leak size.

Dementsprechend sind verschiedene Aufgaben und Vorteile der Erfindung:

(a) das Bereitstellen eines genauen Leckdetektionsverfahrens bei Signalrauschverhältnissen, die für gegenwärtig verwendete Vorrichtungen zur Detektion und zur Festlegung des Ortes aller vorhandenen Lecks zu niedrig sind.
(b) Das Bereitstellen eines Leckdetektionsverfahrens, das gegenüber Effekten eines sich ändernden Rauschpegels unempfindlich ist, was entweder durch Ändern der Flußcharakteristika in der Pipeline oder durch Ändern des Umgebungsrauschens beim Sensor verursacht wird.
(c) Das Bereitstellen eines Leckdetektionsverfahrens, das gegenüber falschen positiven Leckdetektionenen immun ist, indem statistisch jede Leckdetektion verifiziert wird.
(d) Das Bereitstellen eines Leckdetektors mit Kommunikationsfähigkeiten, die über Fernbedienung von einer Überwachungsstation durch erfahrenes Personal betätigt werden können. Die Interpretation der Ergebnisse wird an Leckreparaturpersonal, das an der Pipeline physisch vorhanden ist, weitergeleitet.
(e) Das Bereitstellen einer genauen Messung des von einem akustischen Lecksignal zwischen Sensoren über die Pipeline zurückgelegten Abstandes. Das heißt, die Messung der tatsächlichen Ausbreitungsstrecke, im Gegensatz zur Messung des Abstands zwischen Sensoren durch Abschreiten entlang der Pipeline. Die genaue Kenntnis des Abstands zwischen Sensoren wird zur präzisen Lokalisation der Leckposition benötigt. Eine zusätzliche Aufgabe ist es, ein Mittel zum Finden der Position für jeden Sensor durch ein automatisches Mittel bereitzustellen, das in dem Leckdetektionssystem eingebaut ist.
(f) Das Verbessern des Signal-Rauschverhältnises der empfangenen Signale zu verbessern, indem eine rauschfreie Radioübertragung der empfangenen Signale bereitgestellt wird.
(g) Das Bereitstellen eines beachtlich verbesserten dynamischen Bereichs bei der Übertragung der empfangenen Signale. Der verbesserte dynamische Bereich wird kleine Lecksignale beibehalten und die Detektion von kleinen Lecks ermöglichen.
(h) Das Bereitstellen eines preiswerten miniaturisierten Sensors, der an Pipelineorten verwendet werden kann, die gegenwärtig nicht mit herkömmlichen Sensoren zugänglich sind.
(i) Das Speichern empfangener Signale permanent für darauffolgende Neuanalyse und zum vergleich mit unterschiedlichen Leckdetektionsabschätzungen.
(j) Das Ermöglichen der Abschätzung der Stärke des Lecksignals in Einheiten der Erdanziehungskraft. Dies wiederum wird eine Abschätzung der Größe des Lecks ermöglichen.

Accordingly, various objects and advantages of the invention are:

(a) Providing an accurate leak detection method for signal to noise ratios that are too low for currently used devices to detect and locate any existing leaks.
(b) Providing a leak detection method that is insensitive to effects of a changing noise level, which is caused either by changing the flow characteristics in the pipeline or by changing the ambient noise at the sensor.
(c) Providing a leak detection method that is immune to false positive leak detectors by statistically verifying each leak detection.
(d) Providing a leak detector with communication capabilities that can be operated remotely from a monitoring station by experienced personnel. The interpretation of the results is passed on to leak repair personnel physically present on the pipeline.
(e) Providing an accurate measurement of the distance traveled by an acoustic leak signal between sensors across the pipeline. That is, measuring the actual propagation distance, as opposed to measuring the distance between sensors by walking along the pipeline. The exact knowledge of the distance between sensors is required for the precise localization of the leak position. An additional object is to provide a means for finding the position for each sensor by an automatic means built into the leak detection system.
(f) Improve the improvement of the signal-to-noise ratio of the received signals by providing a noise-free radio transmission of the received signals.
(g) Providing a significantly improved dynamic range in the transmission of the received signals. The improved dynamic range will maintain small leak signals and enable detection of small leaks.
(h) Providing an inexpensive miniaturized sensor that can be used in pipeline locations that are currently not accessible with conventional sensors.
(i) The storage of received signals permanently for subsequent re-analysis and for comparison with different leak detection estimates.
(j) Allowing the estimation of the strength of the leak signal in units of gravity. This in turn will allow an estimate of the size of the leak.

Weitere Aufgaben und Vorteile sind das Bereitstellen eines Leckdetektors, der einfach zu verwenden ist, was eine gesteigerte Verwendung von Seiten des Pipeline-Reparaturpersonals erleichtert, der preiswert in der Herstellung und Wartung ist, der leicht herzustellen ist, der hinsichtlich des Betriebs und seiner Fähigkeiten über Software-Programmiertechniken erweiterbar ist, der in hohem Maße tragbar ist, und der sehr wirtschaftlich hinsichtlich Leistungsverbrauch ist, wodurch eine längere und effizientere kontinuierliche Verwendung der Vorrichtung ermöglicht wird.Other tasks and advantages are providing a leak detector that is easy to use which is an increased use on the part of pipeline repair personnel which is inexpensive to manufacture and maintain, which is easy to manufacture, in terms of operation and its Skills about software programming techniques is expandable, which is highly portable, and which is very is economical in terms of power consumption, making a longer and more efficient continuous use of the device is made possible.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the characters

1 zeigt eine Übersicht der Hauptkomponenten des Leckdetektionssystems. 1 shows an overview of the main components of the leak detection system.

2 zeigt eine Seitenansicht des integrierten Beschleunigungsmessers, der an der Pipeline angebracht ist. 2 shows a side view of the integrated accelerometer attached to the pipeline.

3 zeigt eine Aufsicht auf den integrierten Beschleunigungsmesser, der an der Pipeline angebracht ist. 3 shows a top view of the integrated accelerometer attached to the pipeline.

4 zeigt die Hardwarebestandteile eines Fernsteuerprozessors. 4 shows the hardware components of a remote control processor.

5 zeigt ein Flußdiagramm des Softwarebetriebs des Fernsteuerprozessors. 5 shows a flowchart of the software operation of the remote control processor.

6 zeigt die Struktur eines Datenpakets. 6 shows the structure of a data packet.

7 zeigt die Hardware der Basisstation. 7 shows the hardware of the base station.

8 zeigt ein Flußdiagramm des Softwarebetriebs der Basisstation. 8th shows a flow chart of the software operation of the base station.

9 zeigt ein Flußdiagramm der Prozedur zur Verarbeitung der empfangenen Daten. 9 shows a flowchart of the procedure for processing the received data.

10 zeigt die Struktur von Mitteilungen, die zwischen der Basisstation und einem Fernprozessor übertragen werden. 10 shows the structure of messages transmitted between the base station and a remote processor.

11 zeigt die Anzeige der Basisstation. 11 shows the display of the base station.

12 zeigt ein Beispiel eines Kreuzkorrelations-Signalverlaufs, der von zwei Sensoren berechnet wurde, ausgedrückt in Einheiten von 1000stel der Erdanziehungskraft. 12 shows an example of a cross-correlation waveform calculated by two sensors expressed in units of 1000th of the gravitational force.

13 zeigt ein Beispiel des normierten Kreuzkorrelations-Signalverlaufs, der von zwei Sensoren berechnet wurde. 13 shows an example of the normalized cross-correlation waveform, which was calculated by two sensors.

14 zeigt ein Beispiel eines Kreuzkorrelations-Signalverlaufs, der von zwei Sensoren berechnet und bei niedrigem Signalrauschverhältnis empfangen wurde. 14 shows an example of a cross-correlation waveform calculated by two sensors and received with a low signal-to-noise ratio.

15 zeigt ein Beispiel eines Inkremental-Kreuz-Korrelations-Signalverlaufs, der von zwei Sensoren berechnet und bei einem niedrigen Signal Rauschverhältnis empfangen wurde. 15 shows an example of an incremental cross correlation waveform calculated by two sensors and received at a low signal to noise ratio.

16 zeigt ein Beispiel der von einem Sensor empfangenen Daten, mit einem kurzzeitig vorhandenen Burst von Rauschen hoher Amplitude. 16 shows an example of the data received from a sensor with a brief burst of high amplitude noise.

Bezugszeichen in den Zeichnungen

20: Pipeline
22: Fernprozessor
26: Basisstationseinheit
31: Strap oder Gurt
32: Magnet
33: Metallsensorgehäuse
34: Sensor
36: Kabel vom Sensor zum Fernprozessor
37: Ingegrierter Beschleunigungsmesser
38: Sensorschnittstelleneinheit
39: Sensoranschlußstifte
40: Signalkonditionierschaltung
42: Mikrokontroller
44: Ferndigitalempfänger
46: Positionsfinder
48: Leistungseinheit
100: Prozedur zur Verarbeitung empfangener Signale
170: Datenpaket
175: Datenabschnitt des Datenpakets
180: Kopfabschnitt des Datenpakets
205: Disitaler Basistransceiver
210: Signalanalyser
215: Datenspeichereinheit
220: Anzeigeeinheit
225: Eingabe/Ausgabe-Einheit
230: Kommunikationseinheit
300: Prozedur zur Analyse empfangener Daten
400: Prozedur zur Verarbeitung extrahierter Daten
500: Basisstationsanzeige
501: graphisches Fenster
502: Benutzer-Steuereingaben
503: Benutzereingabeoptionen
504: Systemdialogbox
505: Vertikal-Achsenanzeigeelement
510: Horizontal-Achsenanzeigeelement
515: Echter Peak in einer Kreuzkorrelationsfunktion
520: Artefakt Peak in einer Kreuzkorrelationsfunktion
560: Schwellwert bei normierter Kreuzkorrelationsfunktion
705: Rauschburst in empfangenen Daten

Reference numerals in the drawings

20: pipeline
22: remote processor
26: Base station unit
31: Strap or strap
32: magnet
33: Metal sensor housing
34: sensor
36: Cable from the sensor to the remote processor
37: Integrated accelerometer
38: Sensor interface unit
39: Sensor pins
40: signal conditioning
42: microcontroller
44: Remote Digital Receiver
46: emperata
48: power unit
100: Procedure for processing received signals
170: data packet
175: Data section of the data packet
180: Header section of the data packet
205: Disital base transceiver
210: Signalanalyser
215: Data storage unit
220: display unit
225: Input / output unit
230: communication unit
300: Procedure for analyzing received data
400: Procedure for processing extracted data
500: Base station display
501: graphic window
502: User control inputs
503: User input options
504: Systemdialogbox
505: Vertical-axis display element
510: Horizontal axis display element
515: Real peak in a cross-correlation function
520: Artifact peak in a cross-correlation function
560: Threshold for a normalized cross-correlation function
705: Noise burst in received data

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

ÜbersichtOverview

In 1 enthält ein Leckdetektionssystem, das zur Detektion des Ortes und der Größe von Lecks einer Pipeline 20 verwendet wird, zumindest zwei Pipelinesensoren 34. Die Sensoren können übliche piezoelektrische Beschleunigungsmesser, Hydrophone, Mikrophone sein, oder sie können elektronisch integrierte Beschleunigungsmesser sein. Die Beschleunigungsmesser werden an einem Pipelinebestandteil, wie in etwa einer Röhre, einem Hydranten oder einem Ventil mit einem Magnet 32 angebracht. In 2 können alternativ für Kunststoffrohre die Beschleunigungsmesser mit einem Strap bzw. Gurt 31 angebracht werden. Das System enthält des Weiteren Sensorkabel 36, die die Sensoren mit Fernprozessoren (remote processors) 22 verbinden. Die Fernprozessoren 22 konditionieren die empfangenen Analogsignale, digitalisieren die konditionierten Signale, codieren die digitalen Signale und übertragen die codierten Signale an eine Basisstation 26. die Basisstation 26 analysiert die codierten Signale zur Erzeugung einer Abschätzung des Orts und der Größe jedes in der Pipeline 20 vorhandenen Lecks.In 1 contains a leak detection system that is used to detect the location and size of leaks in a pipeline 20 is used, at least two pipeline sensors 34 , The sensors can be conventional piezoelectric accelerometers, hydrophones, microphones, or they can be electronically integrated accelerometers. The accelerometers are attached to a pipeline component, such as a pipe, a hydrant, or a valve with a magnet 32 appropriate. In 2 Alternatively, for plastic tubes, the accelerometer can be fitted with a strap 31 be attached. The system also contains sensor cables 36 that connect the sensors to remote processors 22. The remote processors 22 condition the received analog signals, digitize the conditioned signals, encode the digital signals and transmit the encoded signals to a base station 26 , the base station 26 analyzes the encoded signals to produce an estimate of the location and size of each in the pipeline 20 existing leaks.

Sensorensensors

In 3 enthält eine integrierte elektronische Beschleunigungsmeßeinheit (electronic integrated accelerometer unit), die zum Empfang von Vibrationen von einem Pipelinesystem 20 verwendet werden kann, einen integrierten Beschleunigungsmesser 37. Der Beschleunigungsmesser wird elektrisch und mechanisch mit einer Schnittstelleneinheit 38 über seine Anschlußstifte 39 verbunden. Die Anschlußstifte 39 liefern einen Nullspannungsbezug, eine Signalausgabe und Leistungsversorgungsleitungen von +/– 12V. die Ausgabe der Schnittstelleneinheit 38 ist mit dem Fernprozessor 22 mittels eines Kabels 38 verbunden. Die Kraftsensorseite des Beschleunigungsmesser 37 ist mit einem Magneten 34 verbunden. Der Magnet 34 ist mit der Pipeline 20 verbunden. Die gesamte Einheit ist innerhalb eines Metallgehäuses 33 enthalten. Das Gehäuse 33 liefert eine Abschirmung gegenüber Störsignalen, wie etwa elektromagnetischen Feldern von Leistungskabeln in der Nähe der Pipeline. In 2 kann die elektronisch integrierte Beschleunigungsmeßeinheit an der Pipeline mit ihrem Magnet oder mit einem Gurt 31 angebracht sein. Der Gurt 31 läuft um das Gehäuse und hält das Gehäuse in festem Kontakt mit der Pipeline 20.In 3 contains an integrated electronic accelerometer unit, which is used to receive vibrations from a pipeline system 20 Can use an integrated accelerometer 37 , The accelerometer is electrical and mechanical with an interface unit 38 via its connector pins 39 connected. The connector pins 39 provide zero voltage reference, signal output and power supply lines of +/- 12V. the output of the interface unit 38 is with the remote processor 22 by means of a cable 38 connected. The force sensor side of the accelerometer 37 is with a magnet 34 connected. The magnet 34 is with the pipeline 20 connected. The entire unit is inside a metal case 33 contain. The housing 33 provides shielding against interference signals such as electromagnetic fields from power cables in the vicinity of the pipeline. In 2 can the electronically integrated accelerometer on the pipeline with its magnet or with a belt 31 to be appropriate. The belt 31 runs around the housing and keeps the housing in firm contact with the pipeline 20 ,

Fernprozessorremote processor

In 4 empfängt der Fernprozessor analoge Signale über ein Kabel 36 von dem Sensor 34. Der Fernprozessor enthält eine Signalverarbeitungsschaltung 40, welche das empfangene Signal mittels elektronischer Filterung und elektronischer Verstärkung konditioniert und das konditionierte Signal digitalisiert. Digitalisierung wird durch eine Abtastung mit einer Rate von 5000 Hz und einer Auflösung von 16 Bit durchgeführt. Das digitalisierte Signal wird dann einem Mikrocontroller 42 eingegeben. Der Mikrocontroller 42 kann die elektronische Filterung oder Verstärkung einstellen, indem entweder das digitalisierte Signal analysiert wird, oder indem er auf eine Nachricht anspricht, die von der Basisstation 26 empfangen wird.In 4 the remote processor receives analog signals over a cable 36 from the sensor 34 , The remote processor contains a signal processing circuit 40 which conditions the received signal by means of electronic filtering and electronic amplification and digitizes the conditioned signal. Digitization is performed by sampling at a rate of 5000 Hz and a resolution of 16 bits. The digitized signal is then a microcontroller 42 entered. The microcontroller 42 can adjust electronic filtering or amplification either by analyzing the digitized signal or by responding to a message from the base station 26 Will be received.

Der Mikrocontroller codiert das digitalisierte Signal und formt dann ein Datenpaket, das Kopfinformation und codierte Daten enthält. Der Prozessor 42 gibt das Datenpaket an einen digitalen Transceiver 44 zur Übertragung an die Basisstation 26 aus. Der digitale Transceiver 44 ist ein Breitbandradiosender/-Empfänger, der als Fernübertragungsvorrichtung ausgestaltet ist. Alternativ kann der digitale Transceiver 44 ein serieller Sender, ein Netzwerkknoten oder eine digitale Übertragungsvorrichtung sein. Der Fernprozessor 22 kann optional einen Positionsfinder 46 enthalten, der die geographische Position des Fernprozessors mit einem satellitenbasierten Positionierungssystem detektiert. Eine Leistungseinheit 48 liefert Leistung an die Bestandteile des Fernprozessors 22.The microcontroller encodes the digitized signal and then forms a data packet that contains header information and encoded data. The processor 42 passes the data packet to a digital transceiver 44 for transmission to the base station 26 out. The digital transceiver 44 is a broadband radio transmitter / receiver, which is designed as a remote transmission device. Alternatively, the digital transceiver 44 a serial transmitter, a network node or a digital transmission device. The remote processor 22 can optionally use a position finder 46 included, which detects the geographical position of the remote processor with a satellite-based positioning system. A power unit 48 delivers power to the components of the remote processor 22 ,

In 5 empfängt der Fernprozessor 22 Signale entsprechend einer Prozedur 100. Anfangs wartet der Fernprozessor 22 auf eine Nachricht von der Basisstation 26 zum Starten der Verarbeitung des empfangenen Signals (Schritt 105). Wenn die Startnachricht empfangen wurde, erhält der Fernprozessor 22 einen Zeitraum von 50 Millisekunden des digitalisierten Signals (Schritt 110). Die digitalisierten Daten werden untersucht, um den maximalen elektronischen Verstärkungsfaktor zu bestimmen, der ohne Sättigung auf die Daten angewendet werden kann. Der Mikrocontroller 42 stellt dann den elektronischen Verstärkungsfaktor in geeignet er Weise ein (Schritt 115). Der elektronische Verstärkungsfaktor kann von einem 50 Millisekunden Zeitraum zum nächsten geändert werden. Die Änderung in dem Verstärkungsfaktor kann über die Verstärkungsfaktoreinstellung erfolgen, die alle Bits des A/D-Wandlers bei der Darstellung der minimalen und maximalen Signalwerte in einem 50 Millisekunden Zeitraum verwendet. Alternativ kann die Änderung in der Verstärkungsfaktoreinstellung inkremental bzw. stufenweise sein, z. B. durch Änderung eines Faktors auf entweder Zwei oder ein Halb. Auf diese Art ändern sich die Verstärkungsfaktoreinstellungsspuren in der empfangenen Signalstärke langsamer als die Rate, mit der diese Änderungen auftreten können. In Situationen, in denen die empfangene Signalstärke schnell zwischen den Zeiträumen ansteigt, erfolgt die Verstärkungsfaktoreinstellung langsamer. Obwohl Sättigung des empfangenen Signal auftreten kann, wenn der Verstärkungsfaktor langsam absinkt, wird eine isolierte Rauschspitze nicht den Verstärkungsfaktor drastisch absenken, was sonst eine unnötige Dämpfung des empfangenen Signals verursachen würde.In 5 the remote processor receives 22 Signals according to a procedure 100 , The remote processor is initially waiting 22 to a message from the base station 26 to start processing the received signal (step 105 ). When the start message is received, the remote processor receives 22 a period of 50 milliseconds of the digitized signal (step 110 ). The digitized data is examined to determine the maximum electronic gain that can be applied to the data without saturation. The microcontroller 42 then adjust the electronic gain factor appropriately (step 115 ). The electronic gain factor can be changed from one 50 millisecond period to the next. The change in gain can be done through the gain setting that uses all bits of the A / D converter to represent the minimum and maximum signal values in a 50 millisecond period. Alternatively, the change in gain setting may be incremental or incremental, e.g. B. by changing a factor to either two or a half. In this way, the gain adjustment tracks change in the received signal strength slower than the rate at which these changes can occur. In situations where the received signal strength increases rapidly between periods, the gain setting is slower. Although saturation of the received signal may occur if the gain factor slowly decreases, an isolated spike of noise will not drastically lower the gain factor, which would otherwise cause unnecessary attenuation of the received signal.

Das Maximieren des elektronischen Verstärkungsfaktors ist wichtig, da das Lecksignal um einen Faktor Zehntausend kleiner als das Rauschen sein kann. Der Mikrocontroller 42 codiert dann (Schritt 120) das digitalisierte Signal x mit der Beziehung:

wobei g(x) das codierte Signal ist, sgn(x) das Vorzeichen von x (d. h. positiv oder negativ), 1n den natürlichen Logarithmus darstellt, |x| der Absolutwert (nämlich ohne Vorzeichen) von x ist, un μ der Kompressionsparameter ist. Solche Systeme der Signalcodierung wurden in der Telefonelektronik umfangreich verwendet, um verlustfreie Kompression und Expansion von Sprachesignalverläufen zu liefern. Mit x in einem Bereich von 16 Bit und g(x) in einem Bereich von 8 Bit tritt ein gewisser Genauigkeitsverlust auf, wenn g(x) expandiert wird, um x wieder herzustellen. Der Wert von μ muss ausgewählt werden, um diesen Verlust bei niedrigen Werten von x zu minimieren. Werte von μ zwischen 200 und 400 sind geeignet. In diesem Fall wird der Verlust bezüglich des Prozesses der Korrelation unbedeutend, da er nur bei sehr großen Werten auftritt, und somit nur bei verrauschten Abtastwerten.Maximizing the electronic gain is important because the leak signal can be ten thousand times smaller than the noise. The microcontroller 42 then encodes (step 120 ) the digitized signal x with the relationship:

where g (x) is the encoded signal, sgn (x) is the sign of x (ie positive or negative), 1n is the natural logarithm, | x | is the absolute value (namely unsigned) of x, and μ is the compression parameter. Such signal coding systems have been used extensively in telephone electronics to provide lossless compression and expansion of speech waveforms. With x in a 16 bit range and g (x) in an 8 bit range, some loss of accuracy occurs when g (x) is expanded to restore x. The value of μ must be selected to minimize this loss at low values of x. Values of μ between 200 and 400 are suitable. In this case, the loss in the process of correlation becomes insignificant since it only occurs with very large values, and thus only with noisy samples.

Die Codierung verringert die digitalisierten Daten der Abtastwerte von 16 Bit Länge auf Abtastwerte mit 8 Bit Länge. Die codierten Signalabtastwerte in dem 50-Millisekunden-Zeitraum werden verwendet, um ein Datenpaket 170 (Schritt 125) zu formen. In 6 enthält das Datenpaket 100 einen Datenabschnitt 175 und einen Kopfabschnitt 180. Der Datenabschnitt besteht aus den codierten 8 Bit Datenabtastwerten und ist N Byte lang, wobei N die Zahl der codierten Datenabtastwerte ist. Der Kopfabschnitt kann L Byte enthalten, die numerisch darstellen: die Zahl N der Datenabtastwerte in dem Paket, den elektronischen Verstärkungsfaktor, mit dem die Datenabtastwerte erhalten wurden, die Zeit des erhaltenen Datenzeitraums, die geographische Position des Fernprozessors und weitere Information. Das Paket wird dann von einem seriellen Anschluß des Mikrocontrollers 42 ausgegeben, der in einem Spannungspegel bezüglich eines Übertragungsprotokolls, wie etwa RS-232, eingestellt ist, um diese an einen digitalen Transceiver 44 zu senden. In 5 überträgt der digitale Transceiver 44 das Paket an die Basisstation (Schritt 130). Der Fernprozessor prüft dann, um festzustellen, ob eine Nachricht von der Basisstation empfangen wurde (Schritt 135). Die Nachricht wird dann untersucht, um zu sehen, ob eine Anhaltnachricht (Schritt 140) enthalten ist. Wenn die Nachricht eine Anhaltnachricht ist, dann hält der Fernprozessor 22 die Übertragung von Daten an, deaktiviert den digitalen Transceiver 44 und wartet auf eine neue Startnachricht (Schritt 105). Wenn keine Nachricht empfangen wurde, erhält der Fernprozessor 42 einen darauffolgenden Zeitraum (Schritt 110). wenn eine andere Nachricht als das Anhalten empfangen wurde, wird die Nachricht verarbeitet (Schritt 145) und dann erhält der Fernprozessor 42 einen darauffolgenden Datenzeitraum (Schritt 110). Weitere ausgehend von der Basisstation 26 empfangene Nachrichten können beispielsweise enthalten: einen Befehl zum Registrieren der Position des Fernprozessors von dem Positionsfinder 46 oder die Einstellung des elektronischen Verstärkungsfaktors auf einen bestimmten Wert.The coding reduces the digitized data of the samples from 16 bits in length to samples with 8 bits in length. The encoded signal samples in the 50 millisecond period are used to make one data packet 170 (Step 125 ) to shape. In 6 contains the data packet 100 a data section 175 and a head section 180 , The data section consists of the encoded 8 bit data samples and is N bytes long, where N is the number of encoded data samples. The header may contain L bytes which represent numerically: the number N of data samples in the packet, the electronic gain with which the data samples were obtained, the time of the data period obtained, the geographical position of the remote processor and other information. The packet is then from a serial port on the microcontroller 42 output, which is set in a voltage level with respect to a transmission protocol such as RS-232, to be sent to a digital transceiver 44 to send. In 5 transmits the digital transceiver 44 the packet to the base station (step 130 ). The remote processor then checks to see if a message has been received from the base station (step 135 ). The message is then examined to see if a pause message (step 140 ) is included. If the message is a pause message, the remote processor pauses 22 the transmission of data on, disables the digital transceiver 44 and waits for a new start message (step 105 ). If no message is received, the remote processor receives 42 a subsequent period (step 110 ). if a message other than stopping was received, the message is processed (step 145 ) and then the remote processor receives 42 a subsequent data period (step 110 ). More starting from the base station 26 received messages may include, for example: a command to register the position of the remote processor from the position finder 46 or setting the electronic gain factor to a certain value.

Basisstationbase station

In 7 werden von dem Fernprozessor übertragene Daten an der Basisstation 26 mittels eines digitalen Basistransceivers 205 empfangen. Die empfangenen Signale werden von dem digitalen Basistransceiver 205 an den Signalanalysierer 210 ausgegeben. Der Signalanalysierer 210 speichert die Daten permanent in der Datenspeichereinheit 215. Der Signalanalysierer 210 decodiert die empfangenen Signale und kann sie auf der Anzeigeeinheit 220 anzeigen. Der Benutzer an der Basisstation 26 interagiert mit der Basisstation mittels der Eingabe/Ausgabeeinheit 225. Dies kann eine Computertastatur, ein wassergeschütztes mit Membran versehenes Druckknopf-Pad oder eine Computeranzeigevorrichtung sein. Eine Kommunikationseinheit 230 ist optional vorgesehen, um die Kommunikation zwischen der Basisstation und einer Überwachungsstation zu erleichtern, die von einem Benutzer an einem entfernten Ort betrieben wird.In 7 data transmitted by the remote processor at the base station 26 using a digital base transceiver 205 receive. The received signals are from the digital base transceiver 205 to the signal analyzer 210 output. The signal analyzer 210 stores the data permanently in the data storage unit 215 , The signal analyzer 210 decodes the received signals and can display them on the display unit 220 Show. The user at the base station 26 interacts with the base station by means of the input / output unit 225. This can be a computer keyboard, a water-protected membrane-covered push button pad or a computer display device. A communication unit 230 is optionally provided to facilitate communication between the base station and a monitoring station operated by a user at a remote location.

In 8 analysiert die Basisstation 26 empfangene Daten entsprechend einer Prozedur 300. Der Benutzer veranlaßt entweder mit der Eingabe/Ausgabeeinheit 225 oder mit der Kommunikationseinheit 230 (Schritt 305) einen Startbefehl. Die Basisstation 26 sendet dann eine Nachricht an die Fernprozessoren 22, wobei die Fernprozessoren 22 aktiviert und synchronisiert werden (Schritt 310). Die Basisstation initialisiert dann die Aquisitions- und Analysenparameter (Schritt 315). Die Aquisitions- und Analysenparameter enthalten den elektronischen Verstärkungsfaktor, die Anzahl der Fernprozessoren, von denen Daten zu empfangen sind, die Art der durchzuführenden Filteranalysen, die Art der durchzuführenden Korrelationsanalysen und das Format der Anzeige. Die Basisstation empfängt und extrahiert dann die von den Fernprozessoren übertragenen Daten (Schritt 320). Die Extraktionsprozedur trennt die von den einzelnen Fernprozessoren empfangenen Datenpakete, extrahiert die Daten von den Paketen und multipliziert die Daten mit dem zusammen mit dem Paket übertragenen Verstärkungsfaktor.In 8th analyzes the base station 26 received data according to a procedure 300 , The user initiates either with the input / output unit 225 or with the communication unit 230 (Step 305 ) a start command. The base station 26 then sends a message to the remote processors 22 , the remote processors 22 activated and synchronized (step 310 ). The base station then initializes the acquisition and analysis parameters (step 315 ). The acquisition and analysis parameters include the electronic gain factor, the number of remote processors from which data is to be received, the type of filter analysis to be carried out, the type of correlation analysis to be carried out and the For mat of the ad. The base station then receives and extracts the data transmitted by the remote processors (step 320 ). The extraction procedure separates the data packets received by the individual remote processors, extracts the data from the packets and multiplies the data by the gain factor transmitted together with the packet.

In 9 werden die extrahierten Daten dann entsprechend der Prozedur 400 verarbeitet. Die Prozedur decodiert die Daten (Schritt 405), filtert die decodierten Daten (Schritt 410) und führt eine Kreuzkorrelation von zwei Sätzen gefilterter Daten durch (Schritt 415). In 8 wird dann die Anzeige aufgefrischt (Schritt 330). Der graphische Teil der Anzeige zeigt den Kreuzkorrelations-Signalverlauf, der in regelmäßigen Intervallen aufgefrischt wird, beispielsweise vier mal pro Sekunde. Der graphische Teil der Anzeige kann wahlweise die decodierten Daten, entweder gefiltert oder ungefiltert zeigen, das heißt die Eingabe der Korrelationsprozedur. Zusätzlich kann entweder unter automatischer oder händischer Steuerung des Benutzers die Zeitskala und die Amplitudenskala des graphischen Teils der Anzeige eingestellt werden, um den Kreuzkorrelations-Signalverlauf oder die decodierten Daten effizienter zu zeigen. Das Achsenverhältnis (Verhältnis von Vertikal- zu Horizontalabmessungen) des graphischen Teils der Anzeige kann ebenfalls eingestellt werden. In 10 enthält die Basisstationsanzeige 500 ein graphisches Fenster 501, das die Korrelationsfunktion zeigt, Benutzersteuerungen 502, Benutzereingabeoptionen 503 und eine Systemdialogbox 504.In 9 the extracted data will then follow the procedure 400 processed. The procedure decodes the data (step 405 ), filters the decoded data (step 410 ) and cross-correlate two sets of filtered data (step 415 ). In 8th the display is then refreshed (step 330 ). The graphic part of the display shows the cross-correlation waveform, which is refreshed at regular intervals, for example four times per second. The graphical portion of the display can optionally show the decoded data, either filtered or unfiltered, that is, entering the correlation procedure. Additionally, the time scale and amplitude scale of the graphical portion of the display can be adjusted under either automatic or manual control of the user to more efficiently show the cross-correlation waveform or the decoded data. The axis ratio (ratio of vertical to horizontal dimensions) of the graphic part of the display can also be set. In 10 contains the base station display 500 a graphical window 501 , which shows the correlation function, user controls 502 , User input options 503 and a system dialog box 504 ,

In 8 überprüft nach dem Auffrischen der Datenanzeige (Schritt 330) die Basisstation, um festzustellen, ob irgendein Befehl von dem Benutzer eingegeben wurde (Schritt 335). Wenn keine Benutzereingabe stattgefunden hat, fährt die Prozedur mit dem Empfang des nächsten Datenpakets fort (Schritt 320). Wenn eine Benutzereingabe stattgefunden hat, wird die Benutzereingabe verarbeitet (Schritt 340). Die Benutzereingabe wird untersucht, um festzustellen, ob die Datenaquisition angehalten werden soll (Schritt 345). Wenn nein, werden dann die Aquisitions- und Analysenparameter eingestellt (Schritt 345) und die Prozedur fährt mit dem Empfang des nächsten Datenpakets fort (Schritt 320). Wenn der Befehl ein Anhalten der Datenanalyseprozedur 300 anzeigt, deaktiviert die Basisstation 26 die Fernprozessoren 22 (Schritt 355) und nimmt das warten auf einen Benutzerstartbefehl wieder auf (Schritt 305).In 8th checked after refreshing the data display (step 330 ) the base station to determine if any command has been entered by the user (step 335 ). If no user input has taken place, the procedure continues with the receipt of the next data packet (step 320 ). If user input has occurred, the user input is processed (step 340 ). The user input is examined to determine whether the data acquisition should be stopped (step 345 ). If no, then the acquisition and analysis parameters are set (step 345 ) and the procedure continues with the receipt of the next data packet (step 320 ). If the command stops the data analysis procedure 300 indicates disables the base station 26 the remote processors 22 (Step 355 ) and resumes waiting for a user start command (step 305 ).

In 11 sind die zwischen der Basisstation 26 und den Fernprozessoren übertragenen Nachrichten in Tabellenform dargestellt. In Abhängigkeit der speziellen Nachricht können die Nachrichten von der Basisstation 26 oder den Fernprozessoren 22 ausgehen.In 11 are those between the base station 26 and messages transmitted to the remote processors are presented in tabular form. Depending on the special message, the messages from the base station 26 or the remote processors 22 out.

LeckdatenverarbeitungLeak data processing

Decodierung und FilterungDecoding and filtering

In 9 werden die extrahierten Daten erst mit dem mathematischen Inversen der Codierformel (Schritt 405) decodiert. Die decodierten Daten werden dann gefiltert (Schritt 410). Der Filterungsschritt dämpft die Nieder- und Hochfrequenzanteile in dem Frequenzspektrum, wodurch das Signal-Rauschverhältnis der decodierten Daten verbessert wird. Das digitale Filtern ermöglicht eine sehr genaue und scharfe Unterscheidung der Frequenzen in dem Frequenzspektrum. Das digitale Filter, das auf die decodierten Daten von jedem Sensor angewendet wird, kann perfekt abgestimmt sein, im Gegensatz zu analogen Filtern, deren Charakteristika um mehr als 10% untereinander abweichen können. Das digitale Filter kann auch verschiedene Einstellungen für decodierte Daten von unterschiedlichen Sensoren haben, wobei eine bessere Unterscheidung zwischen Signal und Rauschen im Frequenzspektrum der decodierten Daten der jeweiligen Sensoren ermöglicht wird.In 9 the extracted data are only with the mathematical inverse of the coding formula (step 405 ) decoded. The decoded data is then filtered (step 410 ). The filtering step attenuates the low and high frequency components in the frequency spectrum, thereby improving the signal-to-noise ratio of the decoded data. Digital filtering enables a very precise and sharp differentiation of the frequencies in the frequency spectrum. The digital filter applied to the decoded data from each sensor can be perfectly matched, unlike analog filters, whose characteristics can differ by more than 10%. The digital filter can also have different settings for decoded data from different sensors, a better distinction between signal and noise in the frequency spectrum of the decoded data of the respective sensors being made possible.

Das Filter ist typischerweise ein Bessel-Bandpaßfilter achter Ordnungen, das eine geschätzte gleiche Zeitverzögerung durch das Filtern über alle Frequenzen gibt. Das Filter kann vom Butterworth-, Chebyshev- oder von anderem digitalen Filterdesign-Typ sein. Die Filterabschneidefrequenzen und die Ordnung für die Hochpaß- und Tiefpaßabschnitte sind vom Benutzer einstellbare Analysenparameter.The filter is typically a Bessel bandpass filter eighth orders, which is an estimated same time delay by filtering over all frequencies there. The filter can be from Butterworth, Chebyshev or of another digital filter design type. The filter cutoff frequencies and the order for the high pass and low pass sections are analysis parameters that can be set by the user.

Einfache KreuzkorrelationSimple cross correlation

Die gefilterten Daten von zumindest zwei Fernprozessoren werden dann einer Kreuzkorrelation unterzogen (Schritt 415). Die Art der verwendeten Kreuzkorrelation ist ein benutzereinstellbarer Parameter. Die einfachste Form der Kreuzkorrelationsfunktion r(m) ist wie folgt festgelegt:

wobei x(k) und y(k) die Daten von zwei Fernprozessoren, nämlich x bzw. y, sind. K ist die Gesamtanzahl der empfangenen Abtastwerte und m ist die Zeitdifferenz bzw. "Lag". Die Zeitdifferenz ist typischerweise zwischen ± M berechnet, wobei M zwischen 512 und 4096 Abtastwerten programmierbar ist, entsprechend den Verzögerungszeiten von 100 bis 800 Millisekunden. In 12 ist die Amplitude der Kreuzkorrelationsfunktion auf der vertikalen Achse 505 gegenüber der Zeit aufgetragen, die auf der horizontalen Achse 510 aufgetragen ist. Eine Hauptspitze 515 tritt bei einer Zeit von 64 Millisekunden auf. Eine zweite geringere Spitze 520 tritt bei einer Zeit von 190 Millisekunden auf. Diese Zeiten stellen Zeitdifferenzen dar, für die eine beachtliche Kreuzkorrelation zwischen den von den zwei Sensoren empfangenen Signalen existieren.The filtered data from at least two remote processors are then cross-correlated (step 415 ). The type of cross correlation used is a user-adjustable parameter. The simplest form of the cross correlation function r (m) is defined as follows:

where x (k) and y (k) are the data from two remote processors, x and y, respectively. K is the total number of samples received and m is the time difference or "lag". The time difference is typically calculated between ± M, where M is programmable between 512 and 4096 samples, corresponding to the delay times of 100 to 800 milliseconds. In 12 is the amplitude of the cross correlation function the vertical axis 505 plotted against time on the horizontal axis 510 is applied. A major top 515 occurs at a time of 64 milliseconds. A second lesser spike 520 occurs at a time of 190 milliseconds. These times represent time differences for which there is a considerable cross-correlation between the signals received by the two sensors.

Die Amplitude der Kreuzkorrelationsfunktion wird in Einheiten der quadrierten Erdanziehungskraft berechnet, d. h. als g-Quadrat. Die decodierten Daten werden von ihrer digitalisierten Abtastwertdarstellung mit bekannter Übertragungsfunktion des Sensors (Volt/g) und dem elektronischen Verstärkungsfaktor gewandelt, der mit jedem Datenpaket übertragen wird. Die Amplitude der Kreuzkorrelationsfunktion ist proportional der Beschleunigung des Leckgeräusches gegenüber der Pipeline an dem Sensor. Die Beschleunigung hängt von der Stärke des Lecksignals an dem Leck und dem Abstand von dem Leck zu den Sensoren ab. Die Position d eines Lecks in dem Pipelinesystem relativ zu einem Sensor entsprechend dem Hauptpeak 515 wird durch die Gleichung gefunden:

wobei D der Abstand zwischen den Sensoren, V die Schallgeschwindigkeit in dem Pipelinemedium und T die Zeitdifferenz gelesen aus der Kreuzkorrelationsfunktion bei dem Zeitwert des Peaks, ist.The amplitude of the cross-correlation function is calculated in units of the squared gravitational force, ie as a g-square. The decoded data is converted from its digitized sample representation with the known transfer function of the sensor (volt / g) and the electronic gain factor that is transferred with each data packet. The amplitude of the cross-correlation function is proportional to the acceleration of the leak noise compared to the pipeline at the sensor. The acceleration depends on the strength of the leak signal at the leak and the distance from the leak to the sensors. The position d of a leak in the pipeline system relative to a sensor corresponding to the main peak 515 is found by the equation:

where D is the distance between the sensors, V is the speed of sound in the pipeline medium and T is the time difference read from the cross-correlation function at the time value of the peak.

Die Dämpfung des Leckgeräusches in der Pipeline als eine Funktion des Abstands ϵ kann in Decibel pro Meter aus bekannten Charakteristika der Pipeline (ihrem Durchmesser, dem Druck und dem Material) bestimmt werden. Mit dieser Information und der Kenntnis der Position des Lecks kann die Stärke des Lecksignals in g an der Position des Lecks A_leak leicht bestimmt werden. Aleak = Ap*10 log10 (ϵd)wobei A_P die Stärke des Lecksignals gemessen direkt aus der Kreuzkorrelationsfunktion ist, die als Quadratwurzel des Spitzenwerts genommen wird. Die Stärke des Lecksignals ist proportional der Größe des Lecks, die so abgeschätzt werden kann.The attenuation of the leak noise in the pipeline as a function of the distance ϵ can be determined in decibels per meter from known characteristics of the pipeline (its diameter, pressure and material). With this information and knowledge of the position of the leak, the strength of the leak signal in g at the position of the leak A _leak can easily be determined. A leak = A p * 10 log 10 (Εd) where A _{P is} the strength of the leak signal measured directly from the cross-correlation function, which is taken as the square root of the peak value. The strength of the leak signal is proportional to the size of the leak, which can be estimated in this way.

Das in der Kreuzkorrelationsfunktion enthaltene Rauschen ist in das inversproportional der Anzahl von Abtastwerten K, die für die Kreuzkorrelationsberechnung verwendet werden. Rauschen ist der größte zu Fehler führende Faktor bei der Bestimmung von Peaks der Kreuzkorrelation. Es kann wahre Peaks 515 vollständig maskieren, wenn das Peaksignal klein ist. Rauschen kann auch künstliche Peaks in der Korrelationsfunktion erzeugen, wie etwa der zweite Peak 520 in 12.The noise contained in the cross-correlation function is inversely proportional to the number of samples K used for the cross-correlation calculation. Noise is the largest error-causing factor in determining cross-correlation peaks. It can be real peaks 515 mask completely if the peak signal is small. Noise can also create artificial peaks in the correlation function, such as the second peak 520 in 12 ,

Unvorbelastete KreuzkorrelationUnloaded cross correlation

(Unbiased Cross-Correlation)(Unbiased cross-correlation)

Die nicht-vorbelastete oder unbelastete Kreuzkorrelationsfunktion r_u(m) ist wie folgt festgelegt:

The non-preloaded or unloaded cross correlation function r _u (m) is defined as follows:

Jede Zeitwert (lag value) hat die gleiche Gewichtung, was wichtig ist, wenn K nicht wesentlich größer als M ist. Nichtvorbelastete Kreuzkorrelation ist hilfreich, wenn beschränkte Datenmengen für die Analysen zur Verfügung stehen.Each lag value has the equal weighting, which is important if K is not significantly larger than Damn. Non-preloaded cross correlation is helpful when limited amounts of data for the Analyzes available stand.

Normierte KreuzkorrelationNormalized cross correlation

Die normierte Kreuzkorrelationfunktion ρ(m) ist wie folgt festgelegt:

wobei angemerkt sei, daß die Verwendung von y(k + m) im Gegensatz von y(k) unnötig ist, wenn K wesentlich größer als M ist. Wie in 12 angemerkt ist, kann ein höherer Peak 520 in der Kreuzkorrelationsfunktion resultieren. Die normierte Kreuzkorrelationsfunktion liefert ein Verfahren zum Testen der Wahrscheinlichkeit, daß ein Peak kein statistisches Artefakt ist, das durch Rauschen erzeugt wird, sondern tatsächlich eine wahre Korrelation. Die normierte Kreuzkorrelationsfunktion hat einen Erwartungswert von Null, wenn keine Korrelation vorliegt. Der Wert eines Peaks ist proportional der Wahrscheinlichkeit, daß der Peak ein tatsächliches Leck darstellt, d. h. ein Signal, das konstistent und kohärent zwischen den beiden Sensoren mit einer festen Zeitdifferenz bei Ankunft an jedem Sensor ist. In 13 hat die normierte Kreuzkorrelationsfunktion genau die gleiche Form wie die Kreuzkorrelationsfunktion, aber ihre Amplitude ist normiert auf die Amplituden der empfangenen Daten. Ein bei einem bestimmten Wert gezogener Schwellwert 560, beispielsweise bei drei, kann zur Unterscheidung zwischen einem Peak 520, der auf Rauschen zurückzuführen ist (ein Peak, der unterhalb des Schwellwerts auftritt), und einem Peak der auf ein tatsächliches Leck 515 zurückzuführen ist (ein Peak oberhalb des Schwellwerts), dienen.The normalized cross-correlation function ρ (m) is defined as follows:

note that the use of y (k + m) as opposed to y (k) is unnecessary if K is significantly larger than M. As in 12 is noted, a higher peak 520 result in the cross-correlation function. The normalized cross-correlation function provides a method of testing the likelihood that a peak is not a statistical artifact generated by noise, but actually a true correlation. The normalized cross-correlation function has an expected value of zero if there is no correlation is present. The value of a peak is proportional to the probability that the peak represents an actual leak, ie a signal that is consistent and coherent between the two sensors with a fixed time difference on arrival at each sensor. In 13 the normalized cross correlation function has exactly the same form as the cross correlation function, but its amplitude is normalized to the amplitudes of the received data. A threshold drawn at a certain value 560 , for example at three, can be used to distinguish between a peak 520 that is due to noise (a peak that occurs below the threshold) and a peak that is due to an actual leak 515 is due (a peak above the threshold).

Ein einfacheres Verfahren für die normierte Kreuzkorrelation ist es, r(0) = 1 zu setzen. Dies setzt voraus, daß es kein Lecksignal gibt, das, bei einer Zeit von Null zwischen den beiden Sensoren auftritt. Das heißt, wenn ein Leck vorhanden ist, darf es nicht äquidistant zu beiden Sensoren sein. Bei dieser Festlegung ist die normierte Kreuzkorrelationsfunktion ρ(m) gegeben durch: ρ (m) = r(m)/r(o) A simpler method for normalized cross correlation is to set r (0) = 1. This assumes that there is no leak signal that occurs between the two sensors at zero time. This means that if there is a leak, it must not be equidistant from both sensors. With this definition, the normalized cross-correlation function ρ (m) is given by: ρ (m) = r (m) / r (o)

StufenkreuzkorrelationStufenkreuz correlation

(Incremental Cross-Correlation)(Incremental cross-correlation)

Die Kreuzkorrelationsfunktion kann auch nach einem "Clipping" der Eingabedaten berechnet werden. Das heißt, wenn x(k) positiv und größer als ein bestimmter Wert A ist, wird x(k) gleich A gesetzt. Wenn x(k) positiv und kleiner als A ist, verbleibt es unverändert. Wenn x(k) negativ ist, wird gleich –A gesetzt. Wenn x(k) negativ und größer als A ist, bleibt es unverändert. Anders gesagt x(k) wird so beschränkt, daß es Werte zwischen ± A hat. Die Prozedur wird für y(k) mit einem bestimmten Wert B wiederholt. Die Kreuzkorrelationsfunktion (oder normierte Kreuzkorrelationsfunktion) wird dann berechnet. Geeignete Werte für A und B können aus x(k) und y(k) bestimmt werden. Beispielsweise kann A so eingestellt werden, daß es gleich dem mittleren Betrag (mean absolute value) von x(k) plus einer Standardabweichung von x(k) ist, nämlich:

The cross correlation function can also be calculated after the input data has been “clipped”. That is, if x (k) is positive and greater than a certain value A, x (k) is set equal to A. If x (k) is positive and less than A, it remains unchanged. If x (k) is negative, then –A is set. If x (k) is negative and greater than A, it remains unchanged. In other words, x (k) is constrained to have values between ± A. The procedure is repeated for y (k) with a certain value B. The cross correlation function (or normalized cross correlation function) is then calculated. Suitable values for A and B can be determined from x (k) and y (k). For example, A can be set to be equal to the mean absolute value of x (k) plus a standard deviation of x (k), namely:

Der Wert von B kann in ähnlicher Weise festgelegt werden, wobei y(k) verwendet wird. Alternativ kann die Kreuzkorrelationsfunktion selbst "geclippt" werden. Das heißt, wenn ρ(m) außerhalb des Bereichs von ± C ist, wird ρ(m) so beschränkt, daß es innerhalb der Grenzen von ± C liegt.The value of B can be similar Be determined using y (k). Alternatively, the Cross-correlation function itself "clipped". That is, if ρ (m) is outside the range of ± C, becomes ρ (m) so limited that it within the limits of ± C lies.

Die Stufenkreuzkorrelation bietet beachtliche Vorteile, wenn die Lecksignalkomponente in x(k) oder y(k) im Vergleich zu dem Rauschanteil klein ist. Große Änderungen in x(k) oder y(k) können die Kreuzkorrelationsfunktion überlagern (swamp), wobei große Kreuzprodukte zwischen Rauschabtastwerten erzeugt werden. Durch Begrenzen der Rauschkreuzprodukte wird die Kreuzkorrelationsfunktion und somit die in ihr vorhandenen Peaks verstärkt.The step cross correlation offers considerable advantages if the leak signal component in x (k) or y (k) is small compared to the noise component. Big changes in x (k) or y (k) can overlay the cross-correlation function (swamp) being big Cross products between noise samples are generated. By Limiting the noise cross products becomes the cross correlation function and thus amplifies the peaks present in it.

14 zeigt eine fehlgeschlagene konventionelle Kreuzkorrelationsanalyse. Große Rauschmengen und ein kleines Lecksignal machen den Peak gegenüber dem Rauschen in der Kreuzkorrelationsfunktion ununterscheidbar. 15 zeigt die gleichen Daten nach der Stufenkreuzkorrelationsanalyse. Der Peak 515 ist nun aufgrund der verstärkten Rauschdämpfung in der Stufenkreuzkorrelationsprozedur sichtbar. 14 shows a failed conventional cross-correlation analysis. Large amounts of noise and a small leak signal make the peak indistinguishable from the noise in the cross-correlation function. 15 shows the same data after the step cross correlation analysis. The peak 515 is now visible in the step cross correlation procedure due to the increased noise attenuation.

Kreuzkorrelation mit verringerter VarianzCross correlation with reduced variance

(Reduced Variance Cross-Correlation)(Reduced Variance Cross-Correlation)

In einigen Fällen gibt es sporadische Bursts des Rauschens, die in den Eingabedaten x(k) und y(k) auftreten. Rauschbursts treten in dem Umgebungsrauschen auf, das etwa durch Verkehr, Züge oder Maschinen erzeugt wird. Rauschbursts können auch in dem Flußrauschen (flow noise) erzeugt werden, das durch ein Öffnen und Schließen von Ventilen, Änderungen des Drucks oder der Flußgeschwindigkeitscharakteristika oder durch den Betrieb von Zusatzausrüstung, wie etwa Pumpen, verursacht wird. Es ist vorteilhaft, das Rauschen selektiv zu begrenzen, ohne auf die Stufenkreuzkorrelationsverfahren zurückzugreifen. Die Rauschvarianz in einem einzelnen 50-ms-Zeitraum wird gemessen als :[GS-A1]

wobei Q die Anzahl der Abtastwerte x(k) in jedem Zeitraum ist. Die mittlere Varianz VAR[x(k)] über die gesamte Zeitdauer von K Abtastwerten wird durch Mitteln der Werte gefunden, die in den jeweiligen Zeiträumen gemessen werden. Zeiträume mit einer Varianz größer als einem bestimmten Wert, beispielsweise mehr als dem Doppelten von VAR[x(k)] werden vor dem Berechnen der Kreuzkorrelationsfunktion identifiziert. Die Werte von x(k) und y(k) werden in diesen identifizierten Zeiträumen auf Null gesetzt. Im Ergebnis werden verrauschte Zeitabschnitte nicht zu der Kreuzkorrelationsfunktion beitragen.In some cases there are sporadic bursts of noise that occur in the input data x (k) and y (k). Noise bursts occur in the ambient noise that is generated, for example, by traffic, trains or machines. Noise bursts can also be generated in the flow noise caused by valve opening and closing, changes in pressure or flow rate characteristics, or by the operation of auxiliary equipment such as pumps. It is advantageous to selectively limit the noise without resorting to the step cross correlation method. The noise variance in a single 50 ms period is measured as: [GS-A1]

where Q is the number of samples x (k) in each period. The mean variance VAR [x (k)] over the whole The duration of K samples is found by averaging the values measured in the respective time periods. Periods with a variance greater than a certain value, for example more than double the VAR [x (k)] are identified before calculating the cross correlation function. The values of x (k) and y (k) are set to zero in these identified periods. As a result, noisy periods will not contribute to the cross-correlation function.

16 zeigt eine 250 Sekundensequenz von Daten von einem Sensor. Ein Burst mit hoher Amplitude des Rauschens 705 ist vorhanden, der eine einfache Kreuzkorrelationsanalyse verfälschen würde. Die Kreuzkorrelationsanalyse mit verringerter Varianz identifiziert den Zeitabschnitt mit Rauschen hoher Amplitude. Daten in dem exzessiv verrauschten Zeitabschnitt werden durch Nullen ersetzt. Die Kreuzkorrelation mit verringerterer Varianz wird dann nicht durch verrauschte Daten verfälscht, und ein Peak wird detektiert, wenn dieser vorhanden ist. 16 shows a 250 second sequence of data from a sensor. A burst with high amplitude of noise 705 exists that would falsify a simple cross-correlation analysis. The cross-correlation analysis with reduced variance identifies the time period with high amplitude noise. Data in the excessively noisy period is replaced by zeros. The cross-correlation with reduced variance is then not corrupted by noisy data and a peak is detected if it is present.

Automatische Messung des Abstands zwischen SensorenAutomatic measurement of the Distance between sensors

Bei herkömmlichen Leckdetektoren wird der Abstand zwischen Sensoren oft durch Abschreiten mit einem Meßrad bestimmt, um eine Odometer-Ablesung zu erhalten. Dies ist zeitaufwendig und nicht möglich, wenn der Zugang zu der Pipeline beschränkt ist. Alternativ dazu kann das Rohr mit einem Impuls beaufschlagt werden, beispielsweise durch Schlagen mit einem Hammer auf das Rohr. Die Zeit, die der Schall des Impulses zum Wandern entlang der Pipeline zwischen den Sensoren benötigt, wird durch Kreuzkorrelationssignale bestimmt, die von den Sensoren empfangen werden. Dieses Verfahren ist ungenau aufgrund der nicht idealen Form der Impulsfunktion (imperfect nature of the impulse function).With conventional leak detectors the distance between sensors is often determined by walking with a measuring wheel, to get an odometer reading. This is time consuming and not possible if access to the pipeline is restricted. Alternatively, you can the tube can be subjected to a pulse, for example by Hit the pipe with a hammer. The time the sound the impulse to wander along the pipeline between the sensors needed is determined by cross-correlation signals from the sensors be received. This procedure is not precise due to the ideal form of the impulse function (imperfect nature of the impulse function).

Eine genau kalibrierte Messung der Zeit, die Schall zum Wandern zwischen Sensoren über die Pipeline benötigt, wird durchgeführt. Die Basisstation sendet eine Steuernachricht an einen einzelnen Fernprozessor, um dessen Betriebsmodus zu ändern. Der Fernprozessor erzeugt nun eine Zufallssignalfunktion – d. h. ein Token-Signal – mit seinem Mikroprozessor. Das Token-Signal wird gleichzeitig an die Basisstation übertragen und an die Pipeline angelegt. Dies wird erzielt, indem das digitale Token-Signal in eine elektrische Spannung gewandelt wird, die elektrische Spannung in eine mechanische Vibration gewandelt wird, und indem die mechanische Vibration an die Pipeline angelegt wird. Das von einem anderen Fernprozessor empfangene Signal wird an die Basisstation übertragen. Kreuzkorrelation der zwei übertragenen Signale wird zum Abschätzen der Zeit verwendet, die das Token-Signal braucht, um über die Pipeline zwischen den Sensoren zu laufen. Die statistischen Daten des Token-Signals, nämlich die genaue Anfangszeit und die genaue Art seiner Zufallsfunktion (die ein flaches Breitbandfrequenzspektrum einschließt) ermöglichen eine sehr genaue Messung der Geschwindigkeit der Schallausbreitung über die Pipeline bei allen Frequenzen.An accurately calibrated measurement of the Time it takes for sound to travel between sensors across the pipeline carried out. The base station sends a control message to an individual Remote processor to change its operating mode. The remote processor generates now a random signal function - d. H. a token signal - with its microprocessor. The token signal is sent to the Base station and applied to the pipeline. This is achieved by using the digital Token signal is converted into an electrical voltage, the electrical Tension is converted into a mechanical vibration, and by the mechanical vibration is applied to the pipeline. That from signal received by another remote processor is transmitted to the base station. Cross correlation of the two transmitted Signals becomes an estimate the time it takes the token signal to pass through the Pipeline to run between the sensors. The statistical data the token signal, namely the exact start time and the exact nature of its random function (which includes a flat broadband frequency spectrum) a very accurate measurement of the speed of sound propagation across the Pipeline at all frequencies.

Wiederholte AnalyseRepeated analysis

Herkömmliche Leckdetektoren haben kein Mittel zur Neuanalyse von Daten, die zur Berechnung einer Kreuzkorrelationsfunktion verwendet wurden. In 7 können in der Datenspeichereinheit 215 gespeicherte Daten anschließend verwendet werden, um neu analysiert zu werden, um so die Leckdetektionsprozedur zu verbessern. Bei einem Ansatz werden die gleichen übertragenen Signaldaten mit unterschiedlichen Filtereinstellungen analysiert. Dies ermöglicht mehrere Versuche zur Verstärkung eines verdächtigen aber unbestimmten Peaks in der Kreuzkorrelationsfunktion. Die Kreuzkorrelationsfunktion, die aus dem Anwenden unterschiedlicher Filter resultieren, können zusammen angezeigt werden, was eine Bestätigung der frequenzabhängigen Charakteristika des Peaks ermöglicht. Alternativ dazu können verschiedene Verfahren der Kreuzkorrelation durchgeführt und verglichen werden. Beispielsweise kann eine Analyse durch einfache Kreuzkorrelation und durch Kreuzkorrelation mit verringerter Varianz gemeinsam eingesetzt werden, um zu bestimmen, ob ein verdächtiger Peak in dem Kreuzkorrelationssignalverlauf ein Produkt eines vorrübergehenden Rauschens ist.Conventional leak detectors have no means of re-analyzing data used to calculate a cross-correlation function. In 7 can in the data storage unit 215 stored data can then be used to be re-analyzed so as to improve the leak detection procedure. In one approach, the same transmitted signal data is analyzed with different filter settings. This enables several attempts to amplify a suspicious but undetermined peak in the cross-correlation function. The cross-correlation function resulting from the application of different filters can be displayed together, which enables the frequency-dependent characteristics of the peak to be confirmed. Alternatively, various cross-correlation methods can be performed and compared. For example, simple cross correlation analysis and reduced variance cross correlation analysis can be used together to determine whether a suspect peak in the cross correlation waveform is a product of transient noise.

Wiederholte Analyse ermöglicht auch die Bestätigung der Reproduzierbarkeit des Kreuzkorrelationsergebnisses. Bei einem Ansatz werden Daten von aufeinanderfolgenden getrennten Leckdetektionsstudien in der Datenspeichereinheit 215 gespeichert. Eine Filterung und eine Kreuzkorrelationsanalysenstrategie werden wie oben beschrieben bestimmt. Wenn einmal der Kreuzkorrelations-Signalverlauf für eine Leckdetektionsstudie erhalten wurde, werden die anderen Studien in ähnlicher Weise bearbeitet. Die sich ergebenden Kreuzkorrelations-Signalverläufe von den unterschiedlichen Studien können zusammen angezeigt werden, was eine Bestätigung der Reproduzierbarkeit des Kreuzkorrelations-Ergebnisses erlaubt.Repeated analysis also enables the reproducibility of the cross-correlation result to be confirmed. In one approach, data from successive separate leak detection studies are stored in the data storage unit 215 saved. Filtering and cross-correlation analysis strategy are determined as described above. Once the cross-correlation waveform has been obtained for a leak detection study, the other studies are processed in a similar manner. The resulting cross-correlation signal curves from the different studies can be displayed together, which allows confirmation of the reproducibility of the cross-correlation result.

Überwachte Steuerung durch Kommunikation mit einem Benutzer an einem entfernten OrtMonitored control through communication with a user in a remote location

In 7 ist in der Basisstation optional eine Kommunikationseinheit 230 enthalten. Die Kommunikationseinheit 230 ermöglicht es einem Benutzer an einer entfernten Steuerstelle, die Leckdetektionsprozedur und die Analyse des Ergebnisses durchzuführen. Die Kommunikationseinheit 230 liefert eine Verbindung durch ein Funkmodem bzw. Radiomodem in der Basisstation 26. Die empfangenen Daten von den Sensoren, die Kreuzkorrelationsfunktion und die Steuernachrichten werden an eine Überwachungsstation an einem entfernten Ort übertragen. Der Benutzer an der entfernten Überwachungsstation ist in der Lage, die Basisstation in ähnlicher Weise zu steuern, wie ein Benutzer an der Pipeline. Normalerweise von einem Benutzer an der Basisstation 26 erzeugte Befehle werden statt dessen an der Basisstation von einem Benutzer an der Überwachungsstation über das Radiomodem empfangen. Eine Überwachungsstation kann gleichzeitig in Kommunikation mit mehreren Basisstationen stehen. Entfernte Leckdetektionsstudien können über größere geographische Abstände überwacht werden.In 7 is an optional communication unit in the base station 230 contain. The communication unit 230 enables a user at a remote control point to perform the leak detection procedure and analysis of the result. The communication unit 230 provides a connection through a Radio modem or radio modem in the base station 26 , The received data from the sensors, the cross-correlation function and the control messages are transmitted to a monitoring station at a remote location. The user at the remote monitoring station is able to control the base station in a manner similar to that of a user at the pipeline. Usually by a user at the base station 26 Instead, commands generated are received at the base station by a user at the monitoring station via the radio modem. A monitoring station can be in communication with several base stations at the same time. Distant leak detection studies can be monitored over larger geographical distances.

Weitere Ausführungsformen liegen innerhalb des Schutzumfangs der beiliegenden Ansprüche.Further embodiments are within the scope of the attached claims.

Es wird beansprucht:It is claimed:

Claims

Method for detecting a leak in a pipe ( 20 ) comprising: attaching or using a plurality of sensors ( 34 ) on the pipeline to receive acoustic signals; To process ( 115 - 125 ) of the received signals with remote processors ( 22 ); Transfer ( 130 ) the processed signals digitally to a base station; and analyze ( 400 ) the transmitted signals from two or more sensors at the base station in order to obtain dimensions of any leaks present in the pipeline, characterized in that the processing step ( 125 ) forming digital packets ( 170 ) from the received signals, one or more packets (e) comprising a header section ( 180 ), which has a digital representation of the analog electronic gain used to amplify the received signal.

A method according to claim 1, wherein the step of attaching or applying a sensor comprises applying an integrated electronic accelerometer sensor ( 37 ) includes, which makes it possible to scan pipeline locations with limited access space.

The method of claim 1, wherein the processing step comprises coding ( 120 ) of the received signals in a reduced digital representation.

The method of claim 1, wherein the processing step is an automatic setting ( 115 ) of the analog electronic amplification by analyzing the received digital data samples.

Method according to Claim 1, in which the processing step comprises determining the position of the remote processors with automatic position search units ( 46 ) by means of satellite or radio signals.

The method of claim 1, wherein the transfer step ( 130 . 135 ) includes two-way communication between the base station and the remote processors, thereby enabling the transmission of control messages between the base station and the remote processors.

The method of claim 1, wherein the analyzing step further includes estimating the pipeline distance between sensors, comprising: transmitting a control message from the base station ( 26 ) to a remote processor ( 22 ) to instruct the remote processor to generate a token signal; Generate a token signal, move the tube with the token signal from a remote processor ( 22 ) in vibrations and simultaneous transmission of the token signal from the remote processor; Transmitting the acoustic signal received at one or more other remote processors; Computing an approximate measure of the time difference in the transmitted signals at the base station; and obtaining an approximate measure of the distance between the sensors ( 34 ) by analyzing the measured time difference when the token signal is received by two remote processors ( 22 ).

The method of claim 1, wherein the analyzing step ( 400 ) an application ( 410 ) of digital filters on the transmitted signals before calculation ( 415 ) includes a cross-correlation function, which improves the signal-to-noise ratio of the transmitted signals.

A method according to claim 8, wherein the analyzing step ( 400 ) an application ( 410 ) of digital filters with different properties to that of different remote processors ( 22 ) transmitted signals, whereby the signal-to-noise ratio is improved individually for each transmitted signal.

The method of claim 1, wherein the analyzing step ( 400 ) a calculation ( 415 ) includes a cross-correlation function expressed in units of gravitational force, whereby an estimate of the strength of the leak signal can be obtained.

The method of claim 1, wherein the analyzing step further comprises repeating the analysis at the base station ( 26 ) received transmitted data includes: storing the transmitted data at the base station; Changing one or more calculation parameters used to calculate the cross-correlation function; Repeating the calculation of the cross-correlation function using the stored data; and evaluating the calculated cross-correlation functions, thereby evaluating the approximate position of any in the pipeline ( 20 ) existing leaks are improved.

Method according to claim 11, where the changed Parameters are the digital filter settings.

The method of claim 11, wherein the analyzing step comprises flexible displaying ( 330 ) comprises one or more calculated cross-correlation functions), whereby the cross-correlation functions can be checked at different time scales, amplitude scales and aspect ratios.

Method according to claim 1, in which the analysis step involves the use of a normalized cross-correlation function contains full: Computing the normalized cross-correlation function; and Assess the likelihood of a peak in the normalized Cross-correlation function represents a leak by comparison the value of the peak of the normalized cross-correlation function with a predetermined threshold.

Method according to claim 1, in which the analysis step involves the use of an expected or unadulterated includes (unbiased) cross-correlation function.

Method according to claim 1, in which the analysis step uses an incremental Cross correlation function includes.

Method according to claim 1, in which the analysis step uses a cross-correlation function with reduced variance full: Identifying periods in the received signals, where noise is excessive; and Calculate the cross-correlation function after modification the excessively noisy Data.

Method according to claim 1, also with an assessment of any leaks in the pipeline at a monitoring station full: Establish a communication link between a base station and a monitoring station; Send data from the base station to the monitoring station; and assess of data at the monitoring station, making an assessment of any existing in the pipeline Leaks can occur.